城市道路工況下冷卻式EGR積碳臺(tái)架試驗(yàn)研究

黃德軍 朱紅國 田茂軍 伍晨波 唐卜 羅宏偉

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

城市道路工況下冷卻式EGR積碳臺(tái)架試驗(yàn)研究

黃德軍 朱紅國 田茂軍 伍晨波 唐卜 羅宏偉

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

基于城市道路車輛行駛工況設(shè)計(jì)EGR積碳發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)并進(jìn)行1000h的試驗(yàn)研究，對比分析EGR系統(tǒng)積碳試驗(yàn)前、后的整車排放性能。結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，EGR冷卻器熱效率逐漸下降，廢氣壓力損失不斷增大，在700h后逐漸趨于穩(wěn)定；EGR閥遲滯特性逐漸增大，閉環(huán)開啟響應(yīng)時(shí)間變慢；EGR系統(tǒng)積碳導(dǎo)致整車污染物排放惡化，尤其是對NOx和PM排放的影響更加明顯。

1 前言

EGR是目前公認(rèn)的有效降低NOx的措施之一[1]，而EGR冷卻技術(shù)在進(jìn)一步降低NOx排放的同時(shí)，能有效抑制PM排放量的增加和發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的惡化[2]。然而，冷卻式EGR系統(tǒng)受排氣中污染物成分和冷凝作用的影響，在其內(nèi)壁面容易形成積碳污垢[3]，影響EGR閥開閉特性和冷卻器性能，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致EGR閥卡滯和冷卻器堵塞，尤其是城市道路上行駛的車輛，其發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況，低溫排氣中的污染物受冷凝作用的影響更加明顯，從而將在EGR系統(tǒng)內(nèi)沉積形成更多的積碳污垢。

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能準(zhǔn)確代表車輛的真實(shí)復(fù)雜運(yùn)行情況，因此必須深入了解實(shí)際使用條件下EGR系統(tǒng)積碳污垢對其性能的影響。本文通過采集試驗(yàn)樣車在城市典型道路的行駛工況信號(hào)，解析得到發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的EGR積碳試驗(yàn)工況，進(jìn)而設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程并在瞬態(tài)電力測功機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究積碳對EGR閥遲滯特性、EGR閥瞬態(tài)響應(yīng)、冷卻器換熱效率及廢氣壓力損失的影響。

2 EGR系統(tǒng)積碳形成機(jī)理及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 EGR系統(tǒng)積碳形成機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中含有的氣態(tài)H2O、HC、NOx及固態(tài)碳煙顆粒等物質(zhì)容易附著在EGR系統(tǒng)內(nèi)壁面上，最終形成固態(tài)積碳污垢層，其中HC和碳煙顆粒對EGR系統(tǒng)積碳的形成起主要作用[4]。EGR系統(tǒng)積碳層形成過程[5]為內(nèi)壁面溫度低于HC的相對露點(diǎn)溫度時(shí)，導(dǎo)致HC沉積；顆粒物繼續(xù)沉積在壁面上，受氣體流動(dòng)沖擊和廢氣與內(nèi)壁面溫度梯度導(dǎo)致的熱泳作用的影響，污垢層被繼續(xù)壓緊；H2O、H2SO4、HC和NOx受到冷卻、擴(kuò)散和吸收作用影響，繼續(xù)積聚在原有的污垢層上，使其被進(jìn)一步壓緊。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架工況

選用某輕型柴油客車為試驗(yàn)樣車，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

采集試驗(yàn)樣車在典型城市主干道上正常行駛時(shí)的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板位置、EGR開度及EGR冷卻溫度等信號(hào)，在試驗(yàn)臺(tái)架上基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門信號(hào)來再現(xiàn)道路車輛行駛工況。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。

HC和碳煙顆粒是EGR系統(tǒng)內(nèi)壁積碳的主要成分。積碳受4個(gè)因素的影響[6]：高的EGR冷卻器入口顆粒物質(zhì)量或數(shù)量濃度；高的廢氣溫度梯度；低的EGR冷卻器出口廢氣溫度；顆粒物中高含量的可溶性有機(jī)物(SOF)。選取一段900s內(nèi)車輛低速低負(fù)荷行駛工況來構(gòu)建EGR臺(tái)架積碳試驗(yàn)的工況。圖2為樣車實(shí)際行駛車速與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況對應(yīng)關(guān)系。車輛經(jīng)過反復(fù)加減速、恒速及停車怠速工況，平均車速為29.5 km/h,怠速時(shí)間占循環(huán)總時(shí)間的18.8%。對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架工況為基于時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩均在變化的瞬態(tài)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為800～2 800 r/min，平均轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；負(fù)荷較低，最大工況扭矩為186 N·m,平均扭矩僅為31 N·m。圖3為臺(tái)架工況下的EGR冷卻溫度與EGR閥實(shí)際開度。可以看出，EGR冷卻器出口廢氣溫度較低，最高溫度為162℃，平均溫度僅為103℃；EGR閥開度隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化而變化，其開度范圍為0～77%。

圖4為臺(tái)架工況下EGR廢氣中的HC濃度和煙度?？芍ㄟ^測量廢氣中的煙度排放能間接反映顆粒物排放值，廢氣中的HC濃度及煙度排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化而變化，HC濃度及煙度峰值出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)急加速工況，HC體積濃度峰值超過了5 000×10-6，廢氣中煙度值越大，顆粒物排放值也越大，煙度峰值超過了7 m-1，兩者平均值分別為674×10-6和0.354 m-1。

2.3 積碳臺(tái)架試驗(yàn)流程

EGR積碳試驗(yàn)臺(tái)架搭建過程需確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量特性與整車狀態(tài)一致。以體現(xiàn)城市道路上車輛實(shí)際使用狀態(tài)為前提，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，參照美國福特公司對EGR系統(tǒng)積碳試驗(yàn)考核的工程經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建EGR積碳試驗(yàn)循環(huán)，即分別由駕駛循環(huán)、停機(jī)熱浸、起動(dòng)和自然冷卻工況組成。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行900 s后，進(jìn)行300 s的停機(jī)熱浸，組成一個(gè)用時(shí)1 200 s的試驗(yàn)子循環(huán)；發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行264個(gè)子循環(huán)后，停機(jī)靜置自然冷卻12 h，即為一個(gè)EGR積碳試驗(yàn)循環(huán)（共100 h）；共運(yùn)行10個(gè)循環(huán)即1 000 h臺(tái)架試驗(yàn)。每次循環(huán)結(jié)束后，利用特制的信號(hào)發(fā)生器測量冷態(tài)EGR閥的遲滯特性和閉環(huán)開啟響應(yīng)時(shí)間；測量發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)下所需最大EGR廢氣質(zhì)量流量工況（轉(zhuǎn)速和扭矩分別為3 000 r/min和110 N·m，EGR廢氣質(zhì)量流量為70 kg/h）下的EGR冷卻器進(jìn)出口的廢氣壓力、廢氣溫度、冷卻液溫度，得到冷卻器壓降和換熱效率，換熱效率的計(jì)算方法見式（1）。積碳試驗(yàn)前、后的EGR系統(tǒng)部件分別裝配在試驗(yàn)樣車上，按照GB18352標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Ⅰ型排放試驗(yàn)，測量NOx、CO、HC、CO2及顆粒物污染物排放。

式中,Tgas.inlet和Tgas.outlet分別為冷卻器進(jìn)、出口廢氣溫度；Tcoolant.inlet為冷卻液進(jìn)口溫度。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 EGR冷卻器性能

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上選取最大EGR廢氣質(zhì)量流量工況點(diǎn)來分析冷卻器性能變化。污垢層的產(chǎn)生阻礙了氣體與壁面間的換熱，使得冷卻效率下降，同時(shí)污垢層減少了氣體流動(dòng)空間，增大了流動(dòng)阻力。由圖5冷卻器效率和壓降隨時(shí)間的變化關(guān)系可知，隨著時(shí)間的增加，冷卻器內(nèi)壁沉積的污垢層數(shù)量增加，冷卻器廢氣進(jìn)出口壓降從初始狀態(tài)的1.5 kPa增加到10.1 kPa，冷卻效率從 80.1%到 52.0%，下降了28.1%。從兩條曲線的斜率變化可以看出，在700 h前，斜率較大，之后逐漸平穩(wěn)，這是因?yàn)殚_始時(shí)冷卻器較潔凈，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的濕HC和碳煙顆粒易大多吸附在內(nèi)壁面，此時(shí)污垢層的積聚占主導(dǎo)作用；隨著時(shí)間延長，高溫氣體誘發(fā)積碳層自行燃燒，在廢氣氣流作用下污垢層自行脫落，此時(shí)積碳層的降解作用增強(qiáng)，與積聚作用逐漸達(dá)到平衡，因此冷卻器性能不再隨時(shí)間持續(xù)惡化，而是在臺(tái)架運(yùn)行到700 h以后逐漸達(dá)到穩(wěn)定、平衡。

3.2 EGR閥性能

EGR閥開環(huán)遲滯測量原理（圖6）：當(dāng)信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)開關(guān)按下，驅(qū)動(dòng)電壓從A點(diǎn)基于時(shí)間序列線性增加到最大值4V后維持3s即減為零，此期間當(dāng)監(jiān)測到EGR自身的位置傳感器信號(hào)開度為95%時(shí)（B點(diǎn)），立即將驅(qū)動(dòng)電壓降為開度為5%對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓值（C點(diǎn)），然后再線性減小到零（D點(diǎn)），記錄整個(gè)過程的驅(qū)動(dòng)電壓和EGR閥開度，對比EGR閥相同開度所需的驅(qū)動(dòng)電壓大小來分析EGR閥的遲滯特性。如EGR閥開啟方向驅(qū)動(dòng)電壓越大，則開啟過程的遲滯特性越大；EGR閥關(guān)閉方向驅(qū)動(dòng)電壓越小，則關(guān)閉過程的遲滯特性越大。由圖6可知，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，EGR閥開度也相應(yīng)增大，但是兩者之間為非線性關(guān)系。由圖7可以看出，驅(qū)動(dòng)電壓隨臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間變化而變化。EGR開啟方向，90%開度的驅(qū)動(dòng)電壓從2.11 V到3.75 V，增大了78.6%，從而EGR閥開啟過程的遲滯特性顯著增大；EGR關(guān)閉方向，90%開度的驅(qū)動(dòng)電壓從0.45 V到0.14 V，減少了68.9%，因而EGR閥關(guān)閉過程的遲滯特性也明顯變大。隨著臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間的增加，濕HC和固態(tài)顆粒物不斷沉積在EGR閥內(nèi)表面形成污垢物，由于污垢物具有一定的粘性，尤其是粘結(jié)在EGR閥運(yùn)動(dòng)副表面的厚度越大，EGR閥開啟阻力越大；另外EGR閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)受高溫廢氣及長時(shí)間頻繁動(dòng)作影響會(huì)出現(xiàn)一定程度的老化，從而導(dǎo)致所需驅(qū)動(dòng)電壓增大；關(guān)閉過程則恰恰相反，在回位彈簧和驅(qū)動(dòng)電壓作用下EGR閥關(guān)閉，污垢層產(chǎn)生粘結(jié)阻力越大，則驅(qū)動(dòng)電壓越小，最終使得EGR閥開啟和關(guān)閉兩過程的遲滯特性均變大。

圖8給出了利用特制的信號(hào)發(fā)生器測量基于EGR閥位置信號(hào)閉環(huán)控制下的從零到90%開度的響應(yīng)時(shí)間（T90），信號(hào)發(fā)生頻率為200 Hz。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行時(shí)間的增加，EGR閥遲滯特性逐漸增大，從而使得EGR閥閉環(huán)開啟響應(yīng)時(shí)間變慢。從圖9可以看出，T90隨積碳時(shí)間的增加而變大，從初始狀態(tài)下的110 ms到300 ms，響應(yīng)時(shí)間增大了173%。

3.3 整車排放性能影響

為進(jìn)一步考察EGR系統(tǒng)積碳對整車排放的影響，將積碳試驗(yàn)前、后EGR系統(tǒng)部件分別安裝在試驗(yàn)樣車上，進(jìn)行整車NEDC循環(huán)排放測試。EGR冷卻器積碳導(dǎo)致其換熱效率降低，EGR廢氣溫度升高，使得進(jìn)氣充量的溫度升高，節(jié)流損失增大，新鮮進(jìn)氣充量相應(yīng)有所減少，過量空氣系數(shù)減小，混合氣溫度增高使滯燃期有所縮短，燃燒最高溫度增高[7]；EGR閥積碳及老化導(dǎo)致遲滯效應(yīng)增大，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工況突變過程中EGR率控制響應(yīng)滯后。表2所列為EGR系統(tǒng)積碳試驗(yàn)前、后整車樣車上進(jìn)行的排放測試結(jié)果。通過對比可以看出，積碳試驗(yàn)后的整車排放結(jié)果均有所惡化，NOx和PM排放增大9.9%和4.1%，其它污染物排放結(jié)果增大2%左右。

表2 EGR積碳前、后整車排放測試數(shù)據(jù) g/km

4 結(jié)束語

a.基于車輛在城市道路上真實(shí)的行駛工況，針對EGR系統(tǒng)積碳，設(shè)計(jì)了一套發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)流程。

b.隨著臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間的增加，最大EGR流量工況下冷卻器換熱效率從80.1%下降到52.0%，廢氣壓力損失從1.5 kPa增大到10.1 kPa；EGR閥遲滯特性逐漸增大，導(dǎo)致T90從110 ms增大到300 ms。

c.EGR系統(tǒng)積碳試驗(yàn)前、后的整車排放結(jié)果表明，積碳將導(dǎo)致整車污染物排放惡化，NOx和PM排放值增大了9.9%和4.1%。

d.在進(jìn)行EGR系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)與改進(jìn)時(shí)，需考慮積碳對其性能的影響，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期內(nèi)的排放滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

1 張振東,褚超美,周萍.增壓直噴柴油機(jī)EGR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).汽車工程,2004,26（2）:136～138.

2 陳群,劉巽俊,李駿,等.車用柴油機(jī)冷EGR系統(tǒng)的試驗(yàn)研究.汽車工程,2001,23（6）:392～395.

3 Zhan R,Eakle S,Miller J，etal.EGR System Fouling Con?trol.SAE Paper 2008-01-0066.

4 Mohamed Salam Abd-Elhady,Mohammad Reza Malayeri, Hans Müller-Steinhagen.Fouling Problems in Exhaust Gas Recirculation Coolers in the Automotive Industry.Heat Transfer Engineering,2011,32（3/4）:248～257.

5 侯鑒龍,倪計(jì)民.EGR冷卻器積碳機(jī)理研究.車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2008,176:1～4.

6 Anthony J.Heavy duty OBF-EGR System.SWRI Internal Report,2007.

7 朱瑞軍,王錫斌,冉帆,等.EGR和冷EGR對柴油機(jī)燃燒和排放的影響.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,43（9）:23～26.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

Bench Test Study of Fouling on Cooled EGR System in Urban Road Driving

Huang Dejun,Zhu Hongguo,Tian Maojun,Wu Chenbo,Tang Bo,Luo Hongwei
（China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd）

EGR fouling engine bench test is designed based on the urban road traffic conditions and is subjected to 1000 hours engine test to investigate the effect of EGR system fouling on the vehicle emission performance.Results show that with the increase of engine test duration:EGR cooler thermal efficiency declines gradually while the exhaust pressure loss increases,and both of them gradually become stable after 700 hours;EGR valve hysteresis characteristics increase and the closed-loop response time slows down gradually;EGR system fouling would lead to the deterioration of vehicle emissions,especially for NOX and PM emissions.

Engine,Cooled EGR,Carbon deposit,Bench test

發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻式EGR 積碳 臺(tái)架試驗(yàn)

U464.134+.4

A

1000-3703（2015）07-0038-04